JP4889472B2 - 蓄熱式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度成層型の貯湯槽と、前記貯湯槽の高温部から、給湯往き配管が接続される往き接続部に至る往き管路とを備え、当該貯湯槽に蓄熱した熱を利用して、前記往き管路及び給湯往き配管を通じて、前記給湯往き配管に接続された給湯栓等の給湯部への給湯を行う蓄熱式給湯装置に関する。

従来の蓄熱式給湯装置として、給湯部での出湯時に、往き管路の混合部において貯湯槽の高温部から往き管路に取り出された高温の給湯水に低温の上水を混合すると共に、給湯水に対する前記上水の混合割合を制御して、前記往き接続部から前記給湯往き配管に吐出される給湯水の温度を所定の設定給湯温度（例えば４２℃程度）に設定する給湯温度設定制御手段を備えたものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

かかる蓄熱式給湯装置では、給湯部での出湯時には、往き管路から給湯往き配管に設定給湯温度の給湯水が吐出されるが、給湯部での非出湯時には、往き管路及び給湯往き配管における給湯水の通流が停止されるので、その滞留する給湯水が放熱によって温度低下することになる。従って、給湯部での出湯開始直後には、その往き管路及び給湯往き配管に滞留し適温（例えば３０℃）に達しない温度の水が給湯部から出湯されるため、その滞留水を排出してからでないと適温の湯が出てこない不便があった。同時に、そのような滞留水の排出によって水資源を消費する無駄と上下水道料金の浪費を生じていた。
特に、ホテル等の業務用途では、各給湯部に通じる給湯往き配管が長くなるため、上述のような不便と無駄を回避することが望まれる。

そこで、このような不便と無駄を回避して、給湯部での出湯開始直後でも適温の湯を出湯させる所謂即時出湯が可能な蓄熱式給湯装置としては、貯湯槽の高温部から給湯往き配管が接続される往き接続部に至る往き管路に加えて、給湯往き配管を通過した後の給湯水を取り込む給湯戻り配管が接続される戻り接続部から貯湯槽の低温部に至る戻り管路を設け、給湯部での非給湯時にも、貯湯槽から取り出した給湯水を、往き管路と給湯往き配管と給湯戻り配管と戻り管路とに順に通流させた後に貯湯槽に戻す形態で循環させるように構成されたものが知られている（例えば特許文献２又は３を参照。）。また、このような従来の即時出湯が可能な蓄熱式給湯装置は、貯湯槽から取り出した高温の給湯水をそのまま往き管路から給湯往き配管に吐出するように構成されている。よって、給湯往き配管に設けられた給湯部においては、湯水混合型給湯栓等を設置して、その給湯往き配管から供給された高温の給湯水に対して上水を混合割合の調整を伴って混合することで、所望の温度の出湯が実現される。

また、上記のような蓄熱式給湯装置においては、貯湯槽の低温部から取り出した低温水を加熱して貯湯槽の高温部に供給する熱源機を備える場合があり、かかる熱源機としては、一般的にはボイラや湯沸かし器を用いることができるが、ヒートポンプ装置やコージェネレーション装置等を利用することができる。

上記ヒートポンプ装置としては、炭酸ガス（二酸化炭素）等の自然冷媒を用い、圧縮器の吐出圧を当該自然冷媒の超臨界圧力として、自然冷媒を気相状態と気液２相状態との間で状態変化させる際の吸熱・放熱を利用して、上記蒸発器から凝縮器側に熱を強制的に移動させる所謂自然冷媒ヒートポンプ装置が知られている。そして、このような自然冷媒ヒートポンプ装置では、当該加熱対象流体の入り温度はできるだけ低いほうが、凝縮器において自然冷媒を十分に冷却できるために、成績係数（ＣＯＰ）が向上する。
従って、このような自然冷媒ヒートポンプ装置の蒸発器において加熱された蓄熱水を貯留する貯湯槽は、上部に高温層を形成すると共に当該高温層の下部に低温層を形成する形態で蓄熱水を貯留する温度成層型に構成することが好ましい。即ち、その温度成層型の貯湯槽は、下端部から低温水を抜き出して、その低温水を凝縮器に供給すると共に、その凝縮器で自然冷媒との熱交換により高温となった温水を上端部に返して貯留することができる。

一方、コージェネレーション装置においては、得られる熱の全部もしくは一部には、原動機（燃料電池等を含む。）の冷却により回収される熱が含まれる。例えば、エンジンを冷却するためのジャケット水や、燃料電池の冷却水がそれに当る。特に、炭化水素やメタノールを改質して燃料として用いる燃料電池においては、自らの排ガスを冷却して水蒸気改質に用いる純水を製造する必要があるため、低温の冷却水（例えば、夏期においても４０℃以下）が要求される。つまり、原動機によっては、冷却水の温度がある基準温度以下に規制されることがあり、このような原動機を用いたコージェネレーションの排熱により加熱された蓄熱水を貯留する貯湯槽も、温度成層型に構成することが好ましい。即ち、その温度成層型の貯湯槽は、下端部から低温水が抜き出され、原動機を冷却（排熱回収）して高温となった温水が上端部に返されるという循環にて、原動機冷却と排熱回収という二つの目的を同時に達成するわけである。

特開２００５−４２９６５号公報 特開平８−１２１８００号公報 特開平８−１５９５０１号公報

上記特許文献１のような給湯温度設定制御手段を備えた蓄熱式給湯装置において、即時給湯を実現するべく、上記特許文献２及び３のように、給湯部での非給湯時にも、混合部において低温の上水が混合されて４２℃程度の設定給湯温度とされた給湯水を、往き管路と給湯往き配管と給湯戻り配管と戻り管路とに順に通流させた後に貯湯槽に戻す形態で循環させるように構成した場合には、往き管路及び給湯往き配管での放熱による温度低下により、例えば給湯往き配管の最末端側を流通する給湯水の温度が２５℃程度と低くなりすぎて、結果、その給湯部からの出湯開始直後には適温に達しない温度の水が放出されるという問題があった。

また、このような問題を回避するべく、給湯部での非出湯時に循環させる給湯水の温度を高く、もしくは循環流量を大きく設定すれば、戻り管路から貯湯槽の低温部に戻る給湯水の温度も高くなり、貯湯槽の低温部の温度が上昇してしまう。

このように貯湯槽の低温部の温度が上昇すると、例えば、熱源機として自然冷媒ヒートポンプ装置を用いた場合には、凝縮器に供給される低温水の温度が上昇することで、当該自然冷媒ヒートポンプ装置の成績係数が低下するなどの問題が生じ、一方、熱源機としてエンジン駆動発電機や燃料電池などのコージェネレーション装置を用いた場合には、貯湯槽の低温部から取り出した低温水によりエンジンや燃料電池の冷却を十分に行うことができないなどの問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、往き管路の混合部において貯湯槽から取り出された高温の給湯水に低温の上水を混合して給湯部へ供給される給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定する給湯温度設定制御手段を備えた蓄熱式給湯装置において、例えば、熱源機としての自然冷媒ヒートポンプ装置の成績係数の低下やコージェネレーション装置の冷却能の低下を防止するべく、貯湯槽の貯湯状態を適切なものに維持しながら、即時給湯を実現することができる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る蓄熱式給湯装置は、温度成層型の貯湯槽と、
前記貯湯槽の高温部から、給湯往き配管が接続される往き接続部に至る往き管路と、
前記給湯往き配管に接続された給湯部での出湯時に、前記往き管路の混合部において前記貯湯槽の高温部から前記往き管路に取り出された給湯水に上水を混合すると共に、前記給湯水に対する前記上水の混合割合を制御して、前記往き接続部から前記給湯往き配管に吐出される給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定する給湯温度設定制御手段とを備えた蓄熱式給湯装置であって、その第１特徴構成は、前記給湯往き配管を通過した後の給湯水を取り込む給湯戻り配管が接続される戻り接続部から、前記貯湯槽の低温部に至る戻り管路と、
前記給湯部での非出湯時に、前記貯湯槽の高温部から取り出した給湯水を、前記往き管路と前記給湯往き配管と前記給湯戻り配管と前記戻り管路とに順に通流させた後に、前記貯湯槽の低温部に戻す形態で循環させる給湯水循環運転を行うと共に、当該給湯水循環運転時における給湯水の循環流量を、前記貯湯槽の低温部に戻る給湯水の戻り温度が所定の低温水上限温度以下となる設定循環流量域内に設定する循環流量設定制御手段を備え、
前記貯湯槽が、上部に高温層を形成すると共に当該高温層の下部に低温層を形成する形態で温度成層を形成して給湯水を貯留し、前記低温層から取り出された低温水が熱源機で加熱されて前記高温層に供給される構成で、
前記低温層の温度を前記低温水上限温度以下に維持する点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記給湯水循環運転を行って、給湯部での非出湯時に貯湯槽の高温部から取り出した給湯水を上記往き管路と上記給湯往き配管と上記給湯戻り配管と上記戻り管路とに順に通流させた後に貯湯槽の低温部に戻す形態で循環させることで、給湯部での出湯開始直後でも適温の給湯水を出湯させる所謂即時出湯を実現することができる。
更に、上記循環流量設定制御手段により、上記給湯水循環運転時における給湯水の循環流量を十分に小さな上記設定循環流量域内（例えば０．１Ｌ／ｍｉｎ）に設定することで、戻り管路表面からの放熱によって、貯湯槽の低温部に戻る給湯水の戻り温度を、所定の低温水上限温度（例えば、外気温度＋１０℃程度、好ましくは外気温度＋５℃程度）にまで低下させることができるので、貯湯槽の低温部の温度を当該低温水上限温度以下に維持することができる。
従って、本願発明により、往き管路の混合部において貯湯槽から取り出された高温の給湯水に低温の上水を混合して給湯部へ供給される給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定する給湯温度設定制御手段を備えた蓄熱式給湯装置において、貯湯槽の貯湯状態を適切なものに維持しながら、即時給湯を実現することができる技術を提供することができる。

また、上記給湯水循環運転時における給湯水の循環流量が小さいことで、循環動力を極めて小さくすることができ、更に、戻り管路を細径かつ無保温の管路で構成することができるので、運転コストや設備費を削減することができる。
さらに、貯湯槽を、高温水をそのまま給湯水として温度成層を形成する形態で貯留する貯湯槽として構成することができるとともに、貯湯槽の低温部から低温水を取り出し、その水を熱源機により目標貯湯温度以上に加熱し、その加熱された目標貯湯温度以上の高温水を貯湯槽の高温部に戻すことにより、貯湯槽において形成される温度成層を良好なものに維持しながら、貯湯槽に目標貯湯温度以上の高温水を貯留することができる。
また、上述したように低温水上限温度以下の温度に維持される貯湯槽の低温部から取り出した低温水を熱源機に供給することができることから、熱源機としての自然冷媒ヒートポンプ装置やコージェネレーション装置などの状態を良好なものとすることができる。
即ち、自然冷媒ヒートポンプ装置を熱源機として用い、自然冷媒ヒートポンプ装置の凝縮器で加熱された水を貯湯槽に貯留するように構成する場合には、貯湯槽の低温部の温度を上記低温水上限温度以下に維持することができるので、その貯湯槽の低温部から取り出した低温水を凝縮部に供給して、当該自然冷媒ヒートポンプ装置の成績係数の低下を防止することができる。
一方、コージェネレーション装置を熱源機として用い、エンジン駆動発電機や燃料電池などの排熱により加熱された水を貯湯槽に貯留するように構成する場合には、貯湯槽の低温部の温度を上記低温水上限温度以下に維持することができるので、その貯湯槽の低温部から取り出した低温水を、エンジンの冷却水や、燃料電池の改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮させてプロセス水として回収するための冷却水等に利用して、当該エンジンや燃料電池における冷却能の低下を防止することができる。
また、熱源機は、上記自然冷媒ヒートポンプ装置や上記コージェネレーション装置以外の例えば一般的なボイラや湯沸かし器を用いることもできる。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記低温水上限温度が、夏場において外気温度を１０℃以上上回らない温度に設定されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記低温水上限温度を、夏場において外気温度（例えば３５℃程度）を１０℃以上上回らない温度、好ましくは夏場において外気温度を５℃以上上回らない温度に設定されているので、年間を通じて貯湯槽の低温部の温度を低温に維持することができる。
また、上記低温水上限温度は、このように夏場の外気温度を基準に設定することができるが、別に、熱源機として備える自然冷媒ヒートポンプ装置の成績係数やコージェネレーション装置の冷却能に基づいて設定することもできる。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成に加えて、 前記往き管路が前記貯湯槽の前記高温部としての上端部に接続され、前記戻り管路が前記貯湯槽の前記低温部としての下端部に接続されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、往き管路を貯湯槽の上端部に接続することで、貯湯槽の高温層から往き管路に給湯水を取り出すことができ、一方、戻り管路を貯湯槽の下端部に接続することで、戻り管路に取り込んだ給湯水を貯湯槽の低温層に戻すことができる。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第４特徴構成は、上記第１乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、前記混合部が、前記給湯部での非出湯時に前記往き管路を閉止するように構成され、
前記往き管路において前記混合部をバイパスする給湯バイパス管路を通じて、前記貯湯槽の高温部から取り出した給湯水を前記往き管路の前記混合部よりも下流側に流入させて前記給湯水循環運転を行うように構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、往き管路に設けられる混合部は三方弁や二個の二方弁の組み合わせにて構成されているが、出湯時にいきなり熱い湯が出て火傷しないようにとの配慮に基づいて、上記混合部を、給湯部での非出湯時に往き管路を閉止するように構成することができる。更に、このように構成した場合には、上記給湯水循環運転では、給湯部での非出湯時において、貯湯槽の高温部から取り出した高温の給湯水を、当該給湯バイパス管路を通じて往き管路の混合部よりも下流側に流入させて、当該給湯水を往き管路と戻り管路とに順に通流させた後に貯湯槽の低温部に戻す形態で循環させることができる。これにより、混合部の構成、種類もしくは制御によらず、上述した給湯水循環運転を行うことができる。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第５特徴構成は、上記第１乃至上記第４の何れかの特徴構成に加えて、前記給湯バイパス管路に給湯水の流量を規制するバイパス流量規制手段が設けられている点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記給湯バイパス管路に上記バイパス流量規制手段を設けることで、給湯部での出湯時に、混合部で上水が混合されて設定給湯温度とされた後の給湯水に対して、給湯バイパス管路を介して混合される高温の給湯水の量を少なくすることができるので、その混合による出湯温度の高温側への偏差を微小なものとすることができる。また、上記バイパス流量規制手段により給湯バイパス管路における給湯水の流量を規制することで、上記給湯水循環運転時の循環流量を上記設定循環流量域内に設定することもできる。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第６特徴構成は、上記第１乃至上記第５の何れかの特徴構成に加えて、前記混合部が、前記貯湯槽の低温部に接続された給水管路を通じて前記上水を取り込むように構成され、
前記貯湯槽の低温部において前記戻り管路から前記往き管路への給湯水の流入を規制する給湯水流入規制手段を備えた点にある。

上記第６特徴構成によれば、貯湯槽の低温部に接続された給水管路を混合部に接続した場合においては、上記給湯水流入規制手段により、上記給湯水循環運転時において、給湯戻り配管から戻り管路に戻ってきた給湯水が、同貯湯槽の低温部に接続された給水管路へ流入することを規制することができる。よって、その戻り管路に戻ってきた給湯水を、貯湯槽の低温部に良好に流入させて、貯湯槽の高温部から往き管路に良好に高温の給湯水を取り出すことができる。
尚、本願において、上記給湯水流入規制手段は、給水管路への給湯水の流入を完全に防止するものとすることができるが、非出湯時に往き管路を流通する給湯水の温度が一定以上に保たれる程度に給水管路への給湯水の流入を一部許容するように構成しても構わない。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第７特徴構成は、上記第１乃至上記第６の何れかの特徴構成に加えて、前記循環流量設定制御手段が、前記給湯水循環運転時の循環流量を制御するように構成されている点にある。

上述した給湯水循環運転時における給湯往き配管における各部の給湯水の温度は、給湯往き管路に施された保温材の厚みや種類等に影響される他、外気温度や循環流量にも左右される。即ち、外気温の変化により、給湯水循環運転時の給湯往き配管に接続された給湯部での給湯水の温度が変化すれば、出湯開始直後の出湯温度が変化するので、好ましくない。そこで、上記第７特徴構成によれば、給湯水循環運転時の循環流量を外気温度などに基づいて制御することで、外気温度による給湯水の温度変化を相殺することができる。具体的には、外気温度が低下すれば循環流量を増し、外気温度が上昇すれば循環流量を減じる制御を行うことができる。
これにより、外気温度の影響を受けず、給湯水循環運転時の給湯部での給湯水の温度を、年間を通じて安定させることができる。

本発明に係る蓄熱式給湯装置（以下、「本給湯装置」と呼ぶ。）の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
第１実施形態の本給湯装置１００について図１に基づいて説明する。
本給湯装置１００には、温度成層型の貯湯槽１と、その貯湯槽１の高温部としての上端部２ａから、給湯往き配管１１が接続される往き接続部１０ａに至る往き管路１０とが設けられている。更には、給湯往き配管１０に接続された給湯栓（給湯部の一例）１５での出湯時に、往き管路１０の混合部１０ｂにおいて貯湯槽１の上端部２ａから往き管路１０に取り出された給湯水に上水を混合して、当該給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定する給湯温度設定制御手段Ａが例えば制御装置が機能する形態で設けられている。

上記貯湯槽１は、熱源機４０により加熱された給湯水を貯留するように構成されている。詳しくは、貯湯槽１の下端部３ａから熱源機４０を介して上端部２ａに至るように敷設された冷却水管路４１に、貯湯槽１の下端部３ａ側から上端部２ａ側に向けて水を通流させる冷却水ポンプ４２（例えば、熱源機４０に内蔵されている。）を設け、その冷却水ポンプ４２を作動させて冷却水管路４１に水を通流させる。すると、貯湯槽１の下端部３ａ側から冷却水管路４１に取り出された水が熱源機４０により加熱されて、その加熱された温水が給湯水として貯湯槽１の上端部２ａ側に供給される。
尚、上記熱源機４０としては、ボイラや湯沸かし器を用いるのが通常であるが、自然冷媒ヒートポンプ装置やコージェネレーション装置などを利用することができる。

貯湯槽１の下端部３ａには、水道メータ（図示せず）を通じて上水が供給される給水管路２５が接続されており、その給水管路２５から比較的低温の上水が供給される。そして、その貯湯槽１の下端部３ａにある低温の水を熱源機４０により適切な目標貯湯温度（例えば７５℃）以上に加熱した後に、貯湯槽１の上端部２ａに戻すことで、貯湯槽１は、上部に高温層２を形成すると共に当該高温層２の下部に低温層３を形成する形態で給湯水を貯留する所謂温度成層型に構成されている。
詳しくは、冷却水管路４１において貯湯槽１の上端部２ａ側に供給される温水の温度を検出する温度センサ４３を備え、冷却水ポンプ４２の動力を温度センサ４３の検出結果に基づいて制御して、貯湯槽１の上端部２ａ側に供給される温水の温度が適切な温度（例えば７５℃）となるように制御されているので、貯湯槽１に貯留されている給湯水は上記のような温度成層を形成して貯留されている。
尚、貯湯槽１に付随する減圧弁（あるいは減圧逆止弁）や逃し弁等、冷却水管路４１に付随する流量調整弁等の通常設置される補機等については、図示を省略しているものもある。

上記往き管路１０の混合部１０ｂには、貯湯槽１の上端部２ａから当該往き管路１０に取り出された給湯水に対して、貯湯槽１の下端部３ａに接続された給水管路２５を通じて取り込んだ上水を混合割合調整を伴って混合可能な三方調整弁１２（混合部の一例）と、当該往き管路１０のその三方調整弁１２よりも下流側を流通する給湯水の温度を検知する温度センサ１３とが設けられている。
また、貯湯槽１の下端部３ａに接続される給水管路２５には、上水の貯湯槽１への流入を検知するフローセンサ２６が設けられている。

そして、上記給湯温度設定制御手段Ａは、給湯栓１５が開かれて、フローセンサ２６により給水管路２５から貯湯槽１への流入を検知している間は、温度センサ１３で検知される給湯水の温度が４２℃程度の予め設定された設定給湯温度となるように、三方調整弁１２により貯湯槽１の上端部２ａから往き管路１０に取り出された高温の給湯水に対する上水の混合量を制御する。すると、給湯栓１５では、往き管路１０及び給湯往き配管１１を通じて設定給湯温度の給湯水が供給され、その給湯水を出湯することができる。尚、上記三方調整弁１２を、往き管路１０と給水管路２５との夫々に設けた一対の調整弁で構成するなど、適宜改変しても構わない。

また、上記給湯栓１５は、２バルブ、シングルレバー、もしくは自動温調水栓等各種の湯水混合型給湯栓を使用できるが、給湯栓１５において上水を混合しなくても、上記給湯温度設定制御手段Ａにより、給湯栓１５から設定給湯温度の給湯水を出湯することができる。従って、給湯栓１５は、湯水混合比率を使用の都度調節する必要のある２バルブ水栓であっても、給湯側のハンドルのみの開閉で、設定給湯温度の給湯水を望みの流量で出湯することができる。

上記給水管路２５の貯湯槽１の下端部３ａとの接続部、及び、上記給水管路２５の上記三方調整弁１２との接続部には、上水の逆流を防止する逆止弁２７，２８が設けられている。

以上が、本給湯装置１００の基本構成であるが、本給湯装置１００は、上述したような給湯温度設定制御手段Ａを備えた場合でも、貯湯槽１の貯湯状態を適切なものに維持しながら、給湯栓１５での出湯開始直後でも適温の湯を出湯させる所謂即時出湯を実現するための特徴構成を有しており、その特徴構成について、以下に説明する。

即ち、本給湯装置１００には、給湯往き配管１０を通過した後の給湯水を取り込む給湯戻り配管１９が接続される戻り接続部２０ａから、貯湯槽１の下端部３ａに至る戻り管路２０が設けられている。更に、給湯栓１５での非出湯時に、貯湯槽１の上端部２ａから取り出した高温の給湯水を、往き管路１０と給湯往き配管１１と給湯戻り配管１９と戻り管路２０とに順に通流させた後に、貯湯槽１の下端部３ａに戻す形態で循環させる給湯水循環運転を行うと共に、当該給湯水循環運転時における給湯水の循環流量を、貯湯槽１の下端部３ａに戻る給湯水の戻り温度が所定の低温水上限温度以下となる設定循環流量域内に設定する循環流量設定制御手段Ｂが例えば制御装置が機能する形態で設けられている。

上記戻り管路２０には、給湯水を貯湯槽１の下端部３ａに向けて送出する循環ポンプ２１、及び、当該給湯水の逆流を防止する逆止弁２２が設けられている。
そして、上記循環ポンプ２１を作動させることで、給湯栓１５での非出湯時、即ちフローセンサ２６で貯湯槽１への上水の流入を検知していないときに、上記給湯水循環運転を行うことができる。このような給湯水循環運転を行うことで、給湯栓１５での非出湯時においても、往き管路１０には、比較的適温の給湯水が通流することになる。よって、給湯栓１５が開かれた出湯開始直後には、その適温の給湯水が、その給湯栓１５の給湯往き配管１１との接続部１５ａに流通しているため、殆ど時間遅れなく直ちに、その適温の給湯水が給湯栓１５に供給され出湯されるというように、所謂即時出湯を実現することができる。

更に、上記循環流量設定制御手段Ｂにより給湯水循環運転時の給湯水の循環流量を、上記設定循環流量域（例えば０．１Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲）内に設定することで、往き接続部１０ａ付近では貯湯槽１の高温層２の温度に近い給湯水が通流し、給湯往き配管１１の末端側では放熱によりそれより数十℃低い温度の給湯水が通流し、戻り接続部２０ａ付近では外気温度より少し高い低温水上限温度（例えば、夏場において外気温度を１０℃以上上回らない温度、好ましくは夏場において外気温度を５℃以上上回らない温度）以下の給湯水が流通することになる。
従って、戻り管路２０を通じて貯湯槽１の下端部３ａに戻された給湯水の温度が上記低温水上限温度以下と低く維持されているので、その給湯水を貯湯槽１の低温層３に流入させても、貯湯槽１の低温層３の温度が少なくとも上記低温水上限温度以下、例えば２５℃程度というように、低く維持されることになる。
また、貯湯槽１の低温層３の温度が低温に維持されるので、その貯湯槽１の下端部３ａから冷却水管路４１を通じて自然冷媒ヒートポンプ装置やコージェネレーション装置などの熱源機４０に供給される低温水の温度が低く維持されるので、当該自然冷媒ヒートポンプ装置の成績係数及び当該コージェネレーション装置の冷却能の低下が抑制される。

通常、給湯栓１５での出湯温度は４０℃程度で行われるため、例えば、給湯往き配管１１において、最も上流側の給湯栓１５で４５℃程度、最も下流側の給湯栓１５で３５℃程度となるように、上記給湯水循環運転時において給湯水の循環流量の指標となる設定循環流量域を選定すれば、熱過ぎずかつ冷たくない湯が出るという点において、即時給湯を実現することができ、例えば、上記設定循環流量域としては、０．１Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲というように非常に微小なものに選定することができる。

尚、往き管路１０及び給湯往き配管１１での給湯水の温度降下は、当該往き管路１０及び給湯往き管路１１の表面に施す保温材の厚みでも調整できる。即ち、貯湯槽１から最上流側の給湯栓１５までは比較的薄い保温材（例えば発泡ポリエチレン）を用い、最上流側の給湯栓１５から最下流側の給湯部１５までは厚い保温材を用いて、往き管路１０及び給湯往き配管１１における各部位の保温を行えば、最上流側の給湯栓１５における出湯温度は比較的低く抑えられ、最下流側の給湯栓１５における出湯温度は比較的高く保たれる。よって、何れの給湯栓１５においても給湯に適する温度に設定することができると共に、給湯栓１５間の温度の差異を小さく保つことができる。
ちなみに、往き管路１０及び給湯往き配管１１からの放熱量は、管路内外の温度差に比例するため、上述したように循環する給湯水に温度差を付ける給湯水循環運転の方が、温度差を付けないものより少なくなる。
尚、往き管路１０及び給湯往き配管１１を十分に保温するのは、放熱量を抑える意味が本来であるが、ここでは、給湯水循環運転時の給湯栓１５毎の温水温度の違いを小さくすることをも狙ったものである。
また、往き管路１０及び給湯往き配管１１は、耐熱耐圧材料（例えば、銅管、耐熱塩ビ管、耐熱塩ビライニング鋼管等）で配管される。

更には、給湯戻り配管１９及び戻り管路２０は、細径の樹脂管（例えば、内径６ｍｍの架橋ポリエチレン管）を無保温で使用する。
即ち、給湯循環運転において給湯戻り配管１９及び戻り管路２０を通じて戻る給湯水の温度が低温水上限温度以下とできるだけ低く抑えられるため、戻り管路２０は無保温とし、更に、その給湯水の流量が設定循環流量域内と小さくて良いので細径とすることができ、しかも使用温度が低いので特別な耐熱性を要しない。

更に、上述した三方調整弁１２は、貯湯槽１の下端部３ａに接続された給水管路２５を通じて上水を取り込むように構成されており、上記戻り管路２０が、その貯湯槽１の下端部３ａに接続された給水管路２５に接続されていることになる。
よって、給湯栓１５での非出湯時において、三方調整弁１２の給水管路２５側が開放されている場合には、上記給湯水循環運転を行うと、給湯戻り配管１９及び戻り管路２０から貯湯槽１の下端部３ａ側に戻る給湯水の殆どが、貯湯槽１に流入することなく、給水管路２５側に流入することが懸念される。
そこで、上記給水管路２５において、貯湯槽１の下端部３ａとの接続部に設けられた逆止弁２７よりも貯湯槽１側に戻り管路２０を接続することで、その逆止弁２７を、貯湯槽１の下端部３ａにおいて戻り管路２０から給水管路２５への給湯水の流入を防止する給湯水流入規制手段として機能させることができる。
尚、給湯水流入規制手段としては、給湯栓１５での非出湯時、即ち給湯水循環運転時に、三方調整弁１２の給水管路２５側を強制的に閉止したり、当該給水管路２５自身を強制的に閉止するための電磁弁等を設けたりなど、種々の手段を用いることが可能である。また、給湯水流入規制手段を給水管路２５の三方調整弁１２との接続部側に設ける場合には、戻り管路２０をその給水管路２５の上記給湯水流流入防止手段よりも上流側に接続することができる。
また、上記給湯水流入規制手段を省略し、給湯栓１５での非出湯時、即ち給湯水循環運転時に、貯湯槽１の下端部３ａにおいて戻り管路２０から給水管路２５への給湯水の流入をある程度許容すると共に、その流入量を調整することで、三方調整弁１２において適当な割合で、高温の給湯水に対して戻り管路２０に戻ってきた低温の給湯水が混合されることになるので、給湯水循環運転時の往き管路１０を通じて給湯栓１５側に供給される給湯水の温度を適切なものとすることができる。

更に、上記往き管路１０の混合部１０ｂに設けられた三方調整弁１２が、給湯栓１５での非出湯時に往き管路１０を開放するように構成されたものである場合には、上記循環流量設定制御手段Ｂは、上記循環ポンプ２１を作動させるだけで、給湯栓１５での非出湯時に、貯湯槽１から取り出された給湯水を、三方調整弁１２を通じて、往き管路１０及び戻り管路２０に循環させる形態で、給湯水循環運転を行うことができる。
また、上記給湯栓１５での出湯時において、循環ポンプ２１を停止させることができるが、給湯水の循環量が微小なため、別に、循環ポンプ２１を停止させなくても構わない。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の本給湯装置２００について図２に基づいて説明する。尚、他の実施形態と同様の構成については同じ符号を使用して説明を割愛する場合がある。
図２に示す本給湯装置２００は、図１に示す給湯装置１００に対して、往き管路１０において混合部１０ｂに設けられた三方調整弁１２をバイパスする給湯バイパス管路３０と、当該給湯バイパス管路３０を流通する上水の流量を規制するオリフィス３１とを追加したものである。

即ち、この本給湯装置２００は、給湯栓１５での非出湯時（給湯水循環運転時）に、上記往き管路１０の混合部１０ｂに設けられた三方調整弁１２が往き管路１０を閉止するように構成されたものである場合において、上記給湯バイパス管路３０を設けることで、給湯栓１５での非出湯時（給湯水循環運転時）に、その給湯バイパス管路３０を通じて、貯湯槽１の上端部２ａから取り出した給湯水を、往き管路１０の三方調整弁１２よりも下流側に流入させて、給湯往き配管１１及び給湯戻り配管１９等に循環させることができる。

このような構成で、給湯栓１５での出湯が開始されると、貯湯槽１の上端部２ａから取り出された高温の給湯水は、三方調整弁１２で上水と混合されて、上述した給湯温度設定制御手段Ａによる温度設定が行われるが、給湯バイパス管路３０からの高温の給湯水がその下流に混合されて、出湯温度が高温側にずれることになる。
そこで、給湯バイパス管路３０には、給湯水の流量を規制するバイパス流量規制手段としてのオリフィス３１を設けることで、この温度偏差を抑えることができる。もちろん、オリフィス３１に、上記給湯水循環運転における循環流量を設定循環流量域内に設定するための流量絞り機能を兼ねさせることも可能である。

また、上記給湯温度設定制御手段Ａで利用する上記温度センサ１３の設置位置は、往き管路１０の給湯バイパス管路３０の流入側接続部よりも上流側に設置しても構わないが、給湯バイパス管路３０の流出側接続部よりも下流側に設置する方が給湯温度設定制御手段Ａでの温度設定の精度が向上する。当該下流側に設置することで、給湯バイパス管路３０を通流する給湯水の温度偏差発生を抑制できるからである。しかしながら、給湯バイパス管路３０での給湯水の流量が大きいと、見かけ上、三方調整弁１２の特性（直線性）が変化（悪化）したと同じことになるので、給湯バイパス管路３０での給湯水の流量は小さいに越したことはない。

また、循環流量設定制御手段Ｂは、給湯水循環運転時の循環流量を設定循環量域内において制御して、外気温度による給湯水の温度変化を相殺しても構わない。更に、給湯水循環運転時において温度センサ１３等で検知される給湯水の温度が適切なものとなるように、循環ポンプ２１の出力を制御する形態で、給湯水の循環流量を自動的に調整するように構成しても構わない。

次に、この第２実施形態の本給湯装置２００を用いて、実際に給湯水循環運転を行ったときの給湯水及び上水の温度について測定した結果を、図５に基づいて説明する。
ここで、往き管路１０及び給湯往き配管１１の長さは１４ｍであり、給湯バイパス管路３０としては銅の無保温管（約１ｍ）に直径０．５ｍｍの開孔を設けたオリフィス３１を取り付けた配管、給湯管路１０及び給湯往き配管１１としては２０ｍｍ厚発泡ポリエチレン保温の１５Ａ銅管、給湯戻り配管１９及び戻り管路２０としては無保温の内径６ｍｍの架橋ポリエチレン管と呼び径１６の塩化ビニル管を用いた。
給湯往き温度は、給湯往き配管１１における本給湯装置２００の出口である往き接続部１０ａから約１ｍ下流の位置での給湯水の温度を示し、給湯管末温度は、給湯往き配管１１における同往き接続部１０ａから１４ｍ下流の位置での給湯水の温度を示し、給湯戻り温度は給湯戻り配管１９の本給湯装置２００の入り口である戻り接続部２０ａから約１ｍ上流の位置での給湯水の温度を示す。また、給湯水循環運転時における給湯水の循環流量は０．０４Ｌ／ｍｉｎとした。

図５より、給湯管末温度は１００分ほどで定常温度となり、その時、給湯往き温度は４４℃、管末温度は３２℃であるから、およそこの範囲（給湯装置２００の出口より下流１ｍ〜１４ｍ）に給湯栓１５が繋がっていれば、給湯栓１５を開けると、３２〜４４℃のほぼ適温の給湯水が待ち時間無く出湯されることになり、即時給湯の目的が達成される。
また、給湯往き配管１１での各部の給湯水の温度は、循環流量を増やせば上げることができ、減らせば下げることができるので、循環流量を調整することにより、適切な温度分布を作ることができる。
下記の表１は、夏期の外気温度条件下で実験し、各循環流量時の各部の平衡温度をまとめたものである。オリフィス３１の開孔径の影響は小さいことが判る。

一方で、定常状態から給湯栓１５での出湯を開始すると、本給湯装置２００が設定給湯温度の給湯水を送り出すまでの間、給湯往き配管１１における給湯栓１５の上流に存在する温度の高い給湯水が出湯されるため、火傷等が懸念される。
図６は、各部の給湯水の温度が夏期外気温下に平衡に達した後、給湯往き配管１１における往き接続部１０ａから約１０ｍ下流の位置に接続された給湯栓１５で出湯させたときの出湯温度の変化（過渡応答特性）を示したものである。給湯往き温度は、平衡温度である４５℃から、５秒間程度の温度制御の過渡特性を経て、設定給湯温度である４２℃で制御されている。ここで、時間０は給湯栓の開栓とは連動しておらず、約１０秒の時点から出湯が始まっている。一方、給湯栓１５からは、最初枝管中の外気温度とほぼ等しい温度の水が出た後、順次給湯往き配管１１上流の給湯水が送り出されるために温度が上昇し、ついには、オーバーシュートした後、温度調節のされた給湯水（４２℃）が安定的に出湯される。このオーバーシュートが大きいと火傷の可能性を生じる。
給湯水循環運転時における循環流量が大きい程、給湯往き配管１１の給湯水の温度は高くなるので、オーバーシュートは大きくなる。実験にて、オーバーシュートを含む最高温度を測定した結果を下記の表２に示す。下記の表２から、給湯水循環運転時の循環流量を適切に設定（例えば、０．０４Ｌ／ｍｉｎ以下）すれば、オーバーシュートは抑えられることが判る。

ところで、給湯栓１５での出湯時において、給湯バイパス管路３０による給湯水のバイパス流量が大きくなると温度調節に偏差の生じることを前述したが、その効果を実験で調べた結果が下記の表３である。ただし、温度センサ１３は往き管路１０における給湯バイパス管路３０の流入部よりも上流側に設置されている。下記の表３からは、給湯バイパス管路３０による給湯水のバイパス流量を規制するオリフィス３１の開孔径を１．０ｍｍ以下に選定すれば、懸念される温度偏差も抑えられることが判る。

〔第３実施形態〕
第３実施形態の本給湯装置３００について図３に基づいて説明する。尚、他の実施形態と同様の構成については同じ符号を使用して説明を割愛する場合がある。
図３に示す本給湯装置３００は、図２に示す給湯装置２００に対して、三方調整弁１２を往き管路１０と給水管路２５との夫々に設けた一対の調整弁１２ａ，１２ｂで構成し、更に、給水管路２５から往き管路１０の三方調整弁１２よりも下流側に至る給水バイパス管路３２と、当該給水バイパス管路３２を流通する上水の流量を規制するオリフィス３３とを追加したものである。更に、本給湯装置３００では、給湯水循環運転時において、戻り管路２０から給水管路２５及び給水バイパス管路３０を通じて往き管路１０への給湯水の流入を許容するべく、上記給水管路２５において貯湯槽１の下端部３ａとの接続部に設けられた逆止弁２７よりも上流側に戻り管路２０が接続されている。

即ち、本給湯装置３００は、給湯栓１５での非出湯時（給湯水循環運転時）に、往き管路１０における混合部１０ｂの上流側に設けられた調整弁１２ａが当該往き管路１０を閉止すると共に、給水管路２５に設けられた調整弁１２ｂが当該給水管路２５を閉止するよう構成されたものである場合において、給湯バイパス管路３０のオリフィス３１と給水バイパス管路３２のオリフィス３３の口径比を適当に決めると、給湯水循環運転時に、往き管路１０の給湯栓１５側には、貯湯槽１から取り出した高温の給湯水が直接供給されるのではなく、適切な量の上水が混合された適温（例えば５０℃）の給湯水が供給されることになる。これにより、給湯栓１５での出湯開始直後に高温の給湯水が出湯される危険を抑止することができる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態の本給湯装置４００について図４に基づいて説明する。尚、他の実施形態と同様の構成については同じ符号を使用して説明を割愛する場合がある。
図４に示す本給湯装置４００では、図２に示す給湯装置２００に対して、温度成層型の貯湯槽１’を備え、その貯湯槽１’から取り出した高温の蓄熱水との熱交換により高温に加熱した上水を給湯水として往き管路１０に取り出すように構成した点で相違するものである。

即ち、本給湯装置４００において、上記貯湯槽１’は、上部に高温層２’を形成すると共に当該高温層２’の下部に低温層３’を形成する形態で、熱源機４０により加熱された蓄熱水を貯留する所謂温度成層型に構成されている。
また、貯湯槽１’の上端部２ａ’から下端部３ａ’に至る循環管路４５が設けられており、その循環管路４５には、貯湯槽１’の上端部２ａ’から取り出した蓄熱水を下端部３ａ’に向けて送り出すように循環させる循環ポンプ４６と、当該循環管路４５を流通する高温の蓄熱水との熱交換により、給水管路２５から供給される上水を加熱し、当該加熱後の上水を給湯水として往き管路１０に供給する熱交換器４７とが設けられている。

そして、本給湯装置４００では、給湯栓１５での出湯時には、上記循環ポンプ４６を作動させて、貯湯槽１’の上端部２ａ’から取り出した高温の蓄熱水を熱交換器４７に供給することで、高温部としての熱交換器４７の給湯水流出部４８からは、上記蓄熱水との熱交換により加熱された高温の給湯水が往き管路１０に取り出されることになる。よって、上述した給湯温度設定制御手段Ａにより、往き管路１０に取り出された給湯水に上水を混合して、当該給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定することができる。

一方、戻り管路２０は、低温部としての上記熱交換器４７の上水流入部４９に接続されており、給湯栓１５での非出湯時（給湯水循環運転時）には、熱交換器４７で蓄熱水の熱をもらった給湯水が、往き管路１０と戻り管路２０とに順に通流させた後に上記熱交換器４７の上水流入部４９側に戻す形態で循環する。

この給湯水循環運転時における熱交換器４７での熱負荷は小さいので、循環ポンプ４６を出湯時と同様に作動させると、貯湯槽１’の下端部３ａ’に戻る温度が高くなって貯湯槽１’の下層温度を上昇させるので、循環ポンプ４６の流量制御を行う必要がある。この制御の開始信号には、フローセンサ２６の停止信号を用いることができ、循環ポンプ４６の回転数制御、所定時間毎のＯＮ−ＯＦＦ制御もしくはバルブによる流量絞り制御等によって、給湯栓１５での非出湯時（給湯水循環運転時）の循環ポンプ４６に対する制御を行うことができる。熱交換器４７の蓄熱水流出部側の温度を温度センサで検知しながら循環ポンプ４６による蓄熱水の循環流量にフィードバック制御を掛けることも可能である。

上記第１乃至第４実施形態において、貯湯槽１及び貯湯槽１’は、密閉型のタンクで構成したが、下部に流入した分の水を上部から払い出すためのポンプ等を備えた大気開放型に構成しても構わない。

本発明は、往き管路の混合部において貯湯槽から取り出された高温の給湯水に低温の上水を混合して給湯部へ供給される給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定する給湯温度設定制御手段を備えた蓄熱式給湯装置であって、特に、熱源機としての自然冷媒ヒートポンプ装置の成績係数の低下やコージェネレーション装置の冷却能の低下を防止するべく、貯湯槽の貯湯状態を適切なものに維持しながら、即時給湯を実現することができるものとして有効に利用可能である。

本発明に係る蓄熱式給湯装置の第１実施形態を示す概略構成図 本発明に係る蓄熱式給湯装置の第２実施形態を示す概略構成図 本発明に係る蓄熱式給湯装置の第３実施形態を示す概略構成図 本発明に係る蓄熱式給湯装置の第４実施形態を示す概略構成図 給湯水循環運転中の各部温度の経時変化を示すグラフ図 出湯時における各部温度の経時変化を示すグラフ図

符号の説明

Ａ：給湯温度設定制御手段
Ｂ：循環流量設定制御手段
１，１’：貯湯槽
２ａ，２ａ’：上端部（高温部）
３ａ，３ａ’：下端部（低温部）
１０：往き管路
１０ａ：往き接続部
１０ｂ：混合部
１１：給湯往き配管
１２：三方調整弁
１５：給湯栓（給湯部）
１９：給湯戻り配管
２０：戻り管路
２０ａ：戻り接続部
２５：給水管路
３０：給湯バイパス管路
３１：オリフィス（バイパス流量規制手段）
３２：給水バイパス管路
４０：熱源機
４８：給湯水流出部（高温部）
４９：上水流入部（低温部）
１００，２００，３００，４００：蓄熱式給湯装置

Claims (7)

1. 温度成層型の貯湯槽と、
   前記貯湯槽の高温部から、給湯往き配管が接続される往き接続部に至る往き管路と、
   前記給湯往き配管に接続された給湯部での出湯時に、前記往き管路の混合部において前記貯湯槽の高温部から前記往き管路に取り出された給湯水に上水を混合すると共に、前記給湯水に対する前記上水の混合割合を制御して、前記往き接続部から前記給湯往き配管に吐出される給湯水の温度を所定の設定給湯温度に設定する給湯温度設定制御手段とを備えた蓄熱式給湯装置であって、
   前記給湯往き配管を通過した後の給湯水を取り込む給湯戻り配管が接続される戻り接続部から、前記貯湯槽の低温部に至る戻り管路と、
   前記給湯部での非出湯時に、前記貯湯槽の高温部から取り出した給湯水を、前記往き管路と前記給湯往き配管と前記給湯戻り配管と前記戻り管路とに順に通流させた後に、前記貯湯槽の低温部に戻す形態で循環させる給湯水循環運転を行うと共に、当該給湯水循環運転時における給湯水の循環流量を、前記貯湯槽の低温部に戻る給湯水の戻り温度が所定の低温水上限温度以下となる設定循環流量域内に設定する循環流量設定制御手段を備え、
   前記貯湯槽が、上部に高温層を形成すると共に当該高温層の下部に低温層を形成する形態で温度成層を形成して給湯水を貯留し、前記低温層から取り出された低温水が熱源機で加熱されて前記高温層に供給される構成で、
   前記低温層の温度を前記低温水上限温度以下に維持する蓄熱式給湯装置。
2. 前記低温水上限温度が、夏場において外気温度を１０℃以上上回らない温度に設定されている請求項１に記載の蓄熱式給湯装置。
3. 前記往き管路が前記貯湯槽の前記高温部としての上端部に接続され、前記戻り管路が前記貯湯槽の前記低温部としての下端部に接続されている請求項１又は２に記載の蓄熱式給湯装置。
4. 前記混合部が、前記給湯部での非出湯時に前記往き管路を閉止するように構成され、
   前記往き管路において前記混合部をバイパスする給湯バイパス管路を通じて、前記貯湯槽の高温部から取り出した給湯水を前記往き管路の前記混合部よりも下流側に流入させて前記給湯水循環運転を行うように構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の蓄熱式給湯装置。
5. 前記給湯バイパス管路に給湯水の流量を規制するバイパス流量規制手段が設けられている請求項４に記載の蓄熱式給湯装置。
6. 前記混合部が、前記貯湯槽の低温部に接続された給水管路を通じて前記上水を取り込むように構成され、
   前記貯湯槽の低温部において前記戻り管路から前記往き管路への給湯水の流入を規制する給湯水流入規制手段を備えた請求項１〜５の何れか一項に記載の蓄熱式給湯装置。
7. 前記循環流量設定制御手段が、前記給湯水循環運転時の循環流量を制御するように構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の蓄熱式給湯装置。

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